Черный ящик Дарвина: Биохимический вызов теории эволюции

Шлейден и Шванн работали в первой половине и середине XIX в., когда Дарвин путешествовал и писал книгу «Происхождение видов». Для Дарвина – и любого другого ученого того времени – клетка была «черным ящиком». Тем не менее на уровне более высоком, чем клеточный, ему удалось многое постичь в биологии. Идея об эволюции жизни принадлежит не Дарвину – хотя он наиболее системно ее обосновал, – но именно ему принадлежит теория эволюции как естественного отбора, основанного на изменчивости.
  
Тем временем методично изучался «черный ящик» клетки. Исследование клеток показало пределы возможностей микроскопа, обусловленные длиной световой волны. По физическим причинам микроскоп не может четко показать две точки, находящиеся друг к другу ближе, чем на половину длины волны света, который их освещает. Поскольку длина волны видимого света составляет примерно 0,1 диаметра бактериальной клетки, многие мелкие и критические детали клеточной структуры увидеть с помощью светового микроскопа невозможно. «Черный ящик» клетки было невозможно открыть без дальнейших технологических усовершенствований.
В конце XIX в., когда физика стремительно развивалась, Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а через несколько десятилетий был изобретен электронный микроскоп. Поскольку длина волны электрона меньше длины волны видимого света, электронное «освещение» позволяет увидеть значительно меньшие объекты, чем световое. У электронной микроскопии есть ряд практических слабостей, в первую очередь – вероятность того, что электронный пучок «поджарит» образец. Но и эти проблемы удалось обойти, и после Второй мировой войны электронная микроскопия получила широкое распространение. Были открыты новые субклеточные структуры: в ядре разглядели поры, а вокруг митохондрий («электростанций» клетки) – двойные мембраны. Клетка, такая простая под световым микроскопом, теперь выглядела совершенно иначе. Увидев сложную структуру клетки, ученые ХХ в. испытали удивление, сходное с тем, какое чувствовали первые пользователи световых микроскопов, увидев в деталях строение насекомых.
На этом уровне открытий биологи приблизились к величайшему из всех «черных ящиков». Дарвин и его современники не могли ответить на вопрос, как устроена жизнь. Они знали, что глаза нужны для того, чтобы видеть, но как именно они видят? Как свертывается кровь? Как организм борется с болезнями? Сложные структуры, открытые электронным микроскопом, сами состояли из более мелких компонентов. Что это за компоненты? Как они выглядят? Как работают? Ответы на эти вопросы выводят нас из области биологии в область химии – и возвращают в девятнадцатый век.
ХИМИЯ ЖИЗНИ
Как легко видеть, живые существа выглядят и ведут себя не так, как неживые. Они и на ощупь другие: шкура и волосы – совсем не то же, что камни и песок. Большинство людей вплоть до XIX в. вполне закономерно полагало, что все живое состоит из особого материала, который отличается от материала неодушевленных предметов. Но в 1828 г. Фридрих Вёлер нагрел цианат аммония и с изумлением обнаружил, что при этом образуется мочевина – продукт биологических отходов. Оказалось, что мочевина может получаться из неживого вещества – а значит, простого различия между живым и неживым нет. Тогда химик-неорганик Юстус фон Либих начал изучать химию жизни (то есть биохимию). Он показал, что тепло тела животных обусловлено сгоранием пищи, а не просто врожденным свойством жизни. На основе своих успехов Либих сформулировал идею метаболизма, согласно которой организм создает и расщепляет вещества посредством химических процессов. Эрнст Феликс Гоппе-Зейлер кристаллизовал красное вещество крови (гемоглобин) и показал, что оно соединяется с кислородом, чтобы разносить его по всему организму. Эмиль Фишер продемонстрировал, что большой класс веществ под названием «белки» состоит всего из двадцати типов строительных блоков (так называемых аминокислот), которые соединяются в цепочки.
Как выглядят белки? Эмиль Фишер показал, что они состоят из аминокислот, однако детали их структуры оставались неизвестными – слишком мелкими, чтобы рассмотреть их даже под электронным микроскопом. Тем не менее было ясно, что белки – фундаментальные машины жизни, которые катализируют химические процессы и создают клеточные структуры. Но для изучения структуры белков требовалась новая техника.
В первой половине ХХ в. для определения структуры малых молекул использовался рентгеноструктурный анализ (РСА). РСА – это процесс, в ходе которого на кристалл химического вещества направляют пучок рентгеновских лучей, рассеивающихся в результате дифракции. Если за кристалл поместить и экспонировать фотопленку, то на снимке можно обнаружить рассеянные рентгеновские лучи, а с помощью некоторых вычислений по картине рассеяния можно определить положение буквально каждого атома в молекуле. Теоретически РСА должен был показывать структуру белка, но тут возникла большая проблема: чем больше атомов в молекуле, тем сложнее вычисления, а в белках в десятки раз больше атомов, чем в молекулах, обычно исследуемых при помощи РСА, и это делает задачу в десятки раз сложнее. Правда, у некоторых людей упорства в десятки раз больше, чем у других.
В 1958 г., после десятилетий работы, Д. К. Кендрю определил структуру белка миоглобина с помощью РСА – наконец-то методика показала детальную структуру одного из основных компонентов жизни. Ожидалось, что белки окажутся простыми и правильными структурами, как кристаллы соли, – но что же мы увидели? Очередную сложность. Макс Перутц, увидев сложную, запутанную, похожую на кишечник структуру миоглобина, простонал: «Неужели поиски окончательной истины и правда вывели на такую отвратительную, кишкообразную штуку?»
С тех пор биохимики все же полюбили хитросплетения белковой структуры. Нынешние усовершенствованные компьютеры и прочие приборы существенно облегчают процесс РСА по сравнению с временами Кендрю, но все равно эта процедура требует значительных усилий.
Рентген использовал и Кендрю, исследуя белки, и Уотсон и Крик, исследовавшие ДНК. В результате биохимики впервые смогли увидеть форму интересующих их молекул. Рождение современной биохимии, которая с тех пор развивается бешеными темпами, можно отнести именно к этому времени. Достижения в области физики и химии помогали друг другу и создавали мощный синергетический эффект в исследованиях жизни.
Теоретически РСА мог определить структуру всех молекул живых существ, однако практические проблемы ограничивают его применение относительно небольшим числом белков и нуклеиновых кислот. Тем не менее в дополнение к ней с головокружительной скоростью появляются новые методы, и один из важнейших – ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Благодаря ЯМР молекулу можно изучать в растворе, без кристаллизации. Как и РСА, ЯМР позволяет определить точную структуру белков и нуклеиновых кислот. Как и РСА, ЯМР имеет ограничения, из-за которых он эффективно работает лишь с частью известных белков. Но вместе ЯМР и РСА показали структуры немалого количества белков, а ученые получили детальное представление о том, как они выглядят.
Когда Левенгук с помощью микроскопа увидел крошечного клеща на крошечной блохе, Джонатан Свифт сочинил вдохновенный стишок, в котором предсказывал бесконечную прогрессию все более мелких насекомых:
И обнаружил микроскоп,
Что на клопе бывает клоп,
Питающийся паразитом,
На нем – другой, ad infinitum. [5]
Но Свифт ошибся: прогрессия не бесконечна. В конце ХХ в. мы – на пике исследований жизни, конец их близок. Клетка была последним «черным ящиком», открыв который мы обнаружили молекулы – основу природы. Ниже нам не опуститься. Более того, работа, которая уже проделана над ферментами, другими белками и нуклеиновыми кислотами, открыла принципы, которые лежат в основе жизни. Нам еще предстоит прояснить множество деталей и, несомненно, столкнуться с некоторыми сюрпризами. Но в отличие от ученых прежних дней, которые, глядя на рыбу, сердце или клетку, задавались вопросом, что это такое и как оно работает, современным ученым достаточно того, что действия белков и других молекул вполне объясняют основы жизни. Начиная с Аристотеля и до современной биохимии, мы вскрывали один слой за другим, пока не открыли «черный ящик» Дарвина – клетку.